STM32Note初识单片机(2)
本期主要介绍单片机核心--cpu的架构、组成及运作方式。
架构之争
目前微型计算机系统的架构主要有x86、mips、arm、powerpc、sparc这几种，但市场上最常见的还是x86和arm架构的，我们接下来以这两种为例了解下微型计算机体系结构，至于剩下几种如果读者有兴趣就只能自行百度了(任天堂、索尼ps、摩托罗拉了解一下)。
在了解x86和arm架构之前，我们先介绍下复杂指令集cisc(complex instuction set computer)和精简指令集risc(reduced instruction set computer)。上期我们说过cpu运行是通过取指令完成的，根据cpu可执行指令我们分成cisc和risc两种。
cisc: 机器指令复杂，这就使得硬件设计逻辑也极其复杂，晶体管数量庞大，为了进行高效运算，需要较长的流水线(下面会介绍)、复杂的分支预测机构、多级cache、支持超线程虚拟化等。
risc: 指令集数量少，指令简单，硬件逻辑简单，功耗比较低，适合移动平台应用。
x86架构是cisc的代表，目前由intel主导，比较有名的pentium、core都是这种架构。而arm则是risc的代表，这种架构的知识产权掌握在arm公司手中(他们只卖知识产权，具体芯片根据不同生产厂家会有所不同)，目前比较常见的用于移动手机端像是苹果三星华为，还有嵌入系统，比较常见的有树莓派，stm32用的当然也是这种架构。
arm市场
arm家族中最经典的是arm7、arm9、arm11，虽然现在市场上还有，但已经有要被取代的趋势，而接手市场的则是下面三个系列：
cortex-m系列：为单片机驱动系统提供的低成本优化方案，应用于传统的微控制器、智能传感器等，主流的有m0、m1、m3、m4。
cortex-a系列：针对开放式操作系统的高性能处理器(如android、linux等)，主要用于智能手机、数字电视等。
cortex-r系列：针对实时系统，满足实时性需求，用于汽车的制动系统等。
cpu组成
cpu由两部分构成，eu(execution unit)和biu(bus interface unit)，其中eu负责指令执行，而biu主要是利用总线与存储器、i/o相连完成数据读写。cpu中主要包括上图中几个模块(不包括总线连接部分)：
程序计数器pc：cpu读取指令时需要知道指令在存储器中的存放地址，pc就是用来存储指令地址的寄存器。通常情况下它是按1递增设计的，当cpu执行一条指令的时候，pc会自动加一指向下一条需要执行的指令(实际上不是加一，但是大多数情况程序是顺序执行的)。程序计数器pc决定了指令执行的顺序，所以这个寄存器的值是不可以外部随意修改的。
指令解码电路：由于存储器存放数据是按照二进制存放的，所以需要解码电路将机器码转化为运算电路可用的命令。
运算电路：运算电路被称为alu(arithmetic and logic unit)，能完成加法乘法等算术运算，也能进行and、or等逻辑运算。
内部寄存器：内部寄存器是存储临时信息的场所。包括存储运算结果的通用寄存器，也有一些特殊的寄存器，比如说存储运算标志的标志寄存器等。事实上，运算电路在进行运算时并不是完全在内存中进行，而是将数据复制到通用寄存器中在进行的。
上面这张图是经典的x86架构(8086处理器)的cpu结构图(没有找到比较详细的arm架构的结构图。。)。图中的ip其实就是程序计数器pc，在实际的cpu中并没有寄存器叫做pc，pc只是代表一种功能，程序计数器在x86中叫做ip，而在arm则由寄存器r15实现此项功能。
cpu工作原理
我们来举个例子说明cpu工作流程：
ldrr1,0x0001;ldr为读内存命令，将内存中地址0001的内容存到寄存器r1中
ldrr2,0x0002 ;将内存0002的内容读到r2中
addr1,r1,r2;将r1与r2的值相加，结果存在r1中
下面是代码段和数据段存放的内容(数据段和代码段二者共用存储器，实际存放地址一般由段首地址与段内偏移地址共同确定，这里我们认为code和data分别表示代码段和数据段段首地址，表格中为偏移地址)：
程序执行过程：
第一步：cpu读取当前pc指向地址即代码段0001的指令内容，经过解码电路解码，cpu从数据段0001地址读出内容3存入r1，pc自动加一变成0002。
结果：r1-->3,pc-->0002
第二步：cpu读取代码段0002的指令内容，解码后，cpu读取数据段0002的内容4存入寄存器r2，pc加一变成0003。
结果：r2-->4,pc-->0003
第三步：cpu读取0003的指令，将r1的内容与r2相加，结果存入r1。
结果：r1-->7,pc-->0004
cpu工作原理大致就是这样。
cpu指令执行模式
cpu指令执行有两种模式，流水线执行模式和乱序执行模式。这两种模式同时存在于cpu中，以流水线为主，但是为了提高cpu中电路的工作效率，引入乱序执行模式。目前x86架构在乱序执行方面领先于arm架构。
一般情况下，在eu执行上一个周期biu取的指令的同时，biu取下一条指令存放于指令队列中。如果eu需要总线完成如读取存储器数据的任务时，则给出命令，使得biu在下个周期不取指令，通过总线获取数据给eu完成上个指令，之后恢复正常流水线。乱序执行在这里就不具体介绍了，主要是将不需要当前运算电路的命令同时执行，以提高效率，具体实现方式只能由读者自行百度了。
本期内容就到这里了，下一期会介绍存储器以及读写内存时cpu与存储器的时序配合。
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在了解x86和arm架构之前，我们先介绍下复杂指令集cisc(complex instuction set computer)和精简指令集risc(reduced instruction set computer)。上期我们说过cpu运行是通过取指令完成的，根据cpu可执行指令我们分成cisc和risc两种。
cisc: 机器指令复杂，这就使得硬件设计逻辑也极其复杂，晶体管数量庞大，为了进行高效运算，需要较长的流水线(下面会介绍)、复杂的分支预测机构、多级cache、支持超线程虚拟化等。
risc: 指令集数量少，指令简单，硬件逻辑简单，功耗比较低，适合移动平台应用。
x86架构是cisc的代表，目前由intel主导，比较有名的pentium、core都是这种架构。而arm则是risc的代表，这种架构的知识产权掌握在arm公司手中(他们只卖知识产权，具体芯片根据不同生产厂家会有所不同)，目前比较常见的用于移动手机端像是苹果三星华为，还有嵌入系统，比较常见的有树莓派，stm32用的当然也是这种架构。
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arm家族中最经典的是arm7、arm9、arm11，虽然现在市场上还有，但已经有要被取代的趋势，而接手市场的则是下面三个系列：
cortex-m系列：为单片机驱动系统提供的低成本优化方案，应用于传统的微控制器、智能传感器等，主流的有m0、m1、m3、m4。
cortex-a系列：针对开放式操作系统的高性能处理器(如android、linux等)，主要用于智能手机、数字电视等。
cortex-r系列：针对实时系统，满足实时性需求，用于汽车的制动系统等。
cpu组成
cpu由两部分构成，eu(execution unit)和biu(bus interface unit)，其中eu负责指令执行，而biu主要是利用总线与存储器、i/o相连完成数据读写。cpu中主要包括上图中几个模块(不包括总线连接部分)：
程序计数器pc：cpu读取指令时需要知道指令在存储器中的存放地址，pc就是用来存储指令地址的寄存器。通常情况下它是按1递增设计的，当cpu执行一条指令的时候，pc会自动加一指向下一条需要执行的指令(实际上不是加一，但是大多数情况程序是顺序执行的)。程序计数器pc决定了指令执行的顺序，所以这个寄存器的值是不可以外部随意修改的。
指令解码电路：由于存储器存放数据是按照二进制存放的，所以需要解码电路将机器码转化为运算电路可用的命令。
运算电路：运算电路被称为alu(arithmetic and logic unit)，能完成加法乘法等算术运算，也能进行and、or等逻辑运算。
内部寄存器：内部寄存器是存储临时信息的场所。包括存储运算结果的通用寄存器，也有一些特殊的寄存器，比如说存储运算标志的标志寄存器等。事实上，运算电路在进行运算时并不是完全在内存中进行，而是将数据复制到通用寄存器中在进行的。
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本期内容就到这里了，下一期会介绍存储器以及读写内存时cpu与存储器的时序配合。
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